Elastisches, ultraschlüpfriges Glas kann zu selbstreinigenden, kratzfesten Fenstern, Linsen und Sonnenkollektoren führen.
Eine neue transparente, bioinspirierte Beschichtung macht gewöhnliches Glas zäh, selbstreinigend und unglaublich rutschig, wie ein Team des Wyss Institute for Biological Inspired Engineering an der Harvard University und der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in der Online-Ausgabe vom 31. Juli berichtete der Naturkommunikation.
Mit der neuen Beschichtung könnten dauerhafte, kratzfeste Linsen für Brillen, selbstreinigende Fenster, verbesserte Sonnenkollektoren und neue medizinische Diagnosegeräte hergestellt werden, sagte die leitende Forscherin Joanna Aizenberg, Ph.D., die ein Mitglied der Hauptfakultät von ist das Wyss Institute, Amy Smith Berylson Professor für Materialwissenschaften an der SEAS und Professor für Chemie und chemische Biologie.
Eine transparente neue Beschichtung macht gewöhnliches Glas zäh, ultraschlüpfrig und selbstreinigend. Die Beschichtung basiert auf SLIPS - der glattesten synthetischen Substanz der Welt. Hier perlt ein Tropfen gefärbten Oktans schnell ab und rollt von einem Uhrglas mit der neuen Beschichtung ab.
Die neue Beschichtung baut auf einer preisgekrönten Technologie auf, die Aizenberg und ihr Team als Pionier entwickelt haben: Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) - die glatteste bekannte synthetische Oberfläche. Die neue Beschichtung ist gleichermaßen rutschig, aber wesentlich haltbarer und vollständig transparent. Zusammen lösen diese Fortschritte die langjährigen Herausforderungen bei der Herstellung von kommerziell nützlichen Materialien, die nahezu alles abwehren.
SLIPS wurde von der cleveren Strategie der fleischfressenden Kannenpflanze inspiriert, die Insekten auf die ultraschlüpfrige Oberfläche ihrer Blätter lockt, wo sie in den Untergang gleiten. Im Gegensatz zu früheren wasserabweisenden Materialien weist SLIPS Öl und klebrige Flüssigkeiten wie Honig ab und widersteht auch der Eisbildung und bakteriellen Biofilmen.
Während SLIPS ein wichtiger Fortschritt war, war es auch ein "Beweis des Prinzips" - der erste Schritt in Richtung einer kommerziell wertvollen Technologie, sagte der leitende Autor Nicolas Vogel, Ph.D., ein Postdoc-Stipendiat für angewandte Physik bei Harvard SEAS.
"SLIPS weist sowohl ölige als auch wässrige Flüssigkeiten ab, ist aber teuer und nicht transparent", sagte Vogel.
Die ursprünglichen SLIPS-Materialien müssen auch irgendwie an vorhandenen Oberflächen befestigt werden, was oft nicht einfach ist.
"Es wäre einfacher, die vorhandene Oberfläche zu nehmen und sie auf eine bestimmte Weise zu behandeln, um sie rutschig zu machen", erklärte Vogel.
Vogel, Aizenberg und ihre Kollegen wollten eine Beschichtung entwickeln, die dies ermöglicht und wie SLIPS funktioniert. Die dünne Schicht des flüssigen Schmiermittels von SLIPS lässt Flüssigkeiten leicht über die Oberfläche fließen, so wie eine dünne Schicht Wasser in einer Eisbahn einen Eisläufer beim Gleiten unterstützt.
Um eine SLIPS-ähnliche Beschichtung zu erhalten, korralieren die Forscher eine Ansammlung winziger kugelförmiger Partikel aus Polystyrol, dem Hauptbestandteil von Styropor, auf einer ebenen Glasoberfläche, ähnlich einer Ansammlung von Ping-Pong-Bällen. Sie gießen flüssiges Glas darauf, bis die Kugeln mehr als die Hälfte in Glas eingegraben sind. Nachdem sich das Glas verfestigt hat, verbrennen sie die Perlen und hinterlassen ein Netzwerk von Kratern, das einer Wabe ähnelt. Anschließend wird die Wabe mit demselben flüssigen Schmiermittel beschichtet, das in SLIPS verwendet wird, um eine zähe, aber rutschige Beschichtung zu erzielen.
„Die Wabenstruktur verleiht der neuen Beschichtung die mechanische Stabilität“, sagte Aizenberg.
Indem die Breite der Wabenzellen so angepasst wurde, dass ihr Durchmesser viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist, verhinderten die Forscher, dass die Beschichtung Licht reflektiert. Dies machte einen Glasträger mit der Beschichtung vollständig transparent.
Diese beschichteten Objektträger wiesen eine Vielzahl von Flüssigkeiten ab, genau wie SLIPS, einschließlich Wasser, Oktan, Wein, Olivenöl und Ketchup. Und wie bei SLIPS verringerte die Beschichtung die Haftung von Eis auf einem Objektträger um 99 Prozent. Es ist wichtig, die Materialien frostfrei zu halten, da anhaftendes Eis die Stromleitungen beschädigen, die Energieeffizienz von Kühlsystemen verringern, Flugzeuge verzögern und Gebäude zum Einsturz bringen kann.
Wichtig ist, dass die Wabenstruktur der SLIPS-Beschichtung auf den Glasobjektträgern eine unübertroffene mechanische Robustheit verleiht. Es widerstand Beschädigungen und blieb nach verschiedenen Behandlungen rutschig, die normale Glasoberflächen und andere beliebte flüssigkeitsabweisende Materialien zerkratzen und beeinträchtigen können, einschließlich Berühren, Abziehen eines Klebebandes und Abwischen mit einem Taschentuch.
"Wir haben uns ein herausforderndes Ziel gesetzt: Eine vielseitige Beschichtung zu entwerfen, die so gut wie SLIPS ist, aber viel einfacher aufzutragen, transparent und viel härter - und das ist uns gelungen", sagte Aizenberg.
Das Team verfeinert nun seine Methode, um gebogene Glasstücke sowie durchsichtige Kunststoffe wie Plexiglas besser zu beschichten und die Methode an die harten Herstellungsbedingungen anzupassen.
"Joannas neue SLIPS-Beschichtung zeigt, wie wichtig es ist, Nature bei der Entwicklung neuer Technologien zu folgen", sagte Don Ingber, Ph.D., Gründungsdirektor des Wyss Institute. "Wir sind begeistert von der Vielzahl von Anwendungen, die diese innovative Beschichtung ermöglichen." Ingber ist außerdem Judah Folkman-Professor für Gefäßbiologie an der Harvard Medical School und im Boston Children’s Hospital sowie Professor für Bioengineering an der Harvard SEAS.
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